SCB & SGB droogtransformatoren uitgelegd

1. Inleiding

Een transformator werkt op basis van het principe van elektromagnetische inductie. De belangrijkste componenten van een transformator zijn de windingen en het kruisijzer. Tijdens het gebruik dienen de windingen als pad voor elektrische stroom, terwijl het kruisijzer fungeert als pad voor magnetische flux. Wanneer elektrische energie wordt ingevoerd in de primaire winding, creëert de wisselstroom een wisselend magnetisch veld in het kruisijzer (d.w.z., elektrische energie wordt omgezet in magnetische veldenergie). Door de magnetische koppeling (fluxkoppeling) verandert de door de secundaire winding passende magnetische flux voortdurend, waardoor er een elektromotiviteitskracht (EMK) in de secundaire winding wordt geïnduceerd. Wanneer een externe schakeling is aangesloten, wordt elektrische energie naar de last overgebracht (d.w.z., magnetische veldenergie wordt terug omgezet in elektrische energie). Deze "elektriciteit-magnetisme-elektriciteit" conversieproces wordt gerealiseerd op basis van het principe van elektromagnetische inductie, en dit energieconversieproces vormt het werkingsprincipe van een transformator.

U1N2 = U2N1

U1: Primaire spanning; N1: Aantal windingen van de primaire winding; U2: Secundaire spanning; N2: Aantal windingen van de secundaire winding

Volgens de Chinese nationale standaard GB 1094.16 wordt een droog transformator duidelijk gedefinieerd als een transformator waarvan het kruisijzer en windingen niet in een isolerende vloeistof zijn ondergedompeld. Het isolerende en koelmiddel is lucht. In brede zin kunnen droge transformators worden verdeeld in twee hoofdtypen: gegoten en open gewonden.

• Het type "SC(B)" verwijst naar een epoxyhars gegoten droge transformator (de "B" in de typeontwerp aanduiding geeft aan dat de windingen gemaakt zijn van koperfolie; de "B" in "SG(B)" heeft dezelfde betekenis). De hoogspanningswinding is volledig gegoten met epoxyhars, terwijl de laagspanningswinding meestal niet volledig met epoxyhars wordt gegoten - alleen de eindwindingen worden verzegeld met epoxyhars (dit komt ook omdat de laagspanningszijde hogere stromen draagt, en volledige gieten zou nadelig zijn voor de warmteafgifte). Momenteel zijn SC(B)-type droge transformators de mainstream producten op de markt, en dit artikel gebruikt ze als voorbeeld voor analyse. De meeste SC(B)-type transformators hebben klasse F-isolatie, met een paar gerateerd als klasse H.

• Het "SG(B)"-type is een open gewonde droge transformator die NOMEX isolatiepapier van DuPont (VS) gebruikt voor tussentijds isolatie. De laagspanningswinding is gemaakt van koperfolie, en zowel de hoog- als laagspanningswindingen ondergaan VPI (Vacuum Pressure Impregnation) isolatiebehandeling. Het oppervlak is bedekt met een laag epoxy isolatievernis. De meeste SG(B)-type droge transformators hebben klasse H-isolatie, met een paar gerateerd als klasse C.

• Er is nog een ander type droge transformator, aangeduid als "SCR(B)", dat een gegoten type is maar niet met epoxyhars is gegoten. Het is volledig gegoten met NOMEX papier en siliconengel, gebaseerd op Franse technologie. Dit product heeft een zeer beperkte marktvraag. Alle SCR(B)-type droge transformators hebben klasse H-isolatie.

2 Voordelen van Droge Transformators

• Veilig, brandwerend, brandvast, ontploffingsvast, zonder vervuiling, en kan direct in het belastingscentrum worden geïnstalleerd;

• Onderhoudsarm, met lage totale exploitatiekosten;

• Uitstekende waterbestendigheid - kan normaal functioneren onder 100% luchtvochtigheid en kan na uitschakeling zonder voorafgaande droging opnieuw worden aangezet;

• Lage verliezen, lage partiële ontlading, lage geluidsniveau, sterke warmteafgifte, en in staat om onder geforceerde luchtcooling omstandigheden met 150% van de nominale belasting te werken;

• Uitgerust met een uitgebreid temperatuurbescherming en controle systeem, wat een betrouwbare garantie biedt voor veilig gebruik;

• Compact van formaat, licht van gewicht, klein grondoppervlak, en lage installatiekosten.

3. Nadelen van Droge Transformators

• Bij dezelfde capaciteit en spanning, zijn droge transformators duurder dan oliegekoelde transformators;

• Spanning is beperkt - meestal tot 35 kV, met slechts enkele modellen die 110 kV bereiken;

• Wordt meestal binnen gebruikt; bij gebruik buiten, is een beschermende behuizing met hoge IP-rating vereist;

• Voor harsgewonden windingen, indien beschadigd, moeten deze vaak volledig worden gesloopt, omdat herstel meestal moeilijk is.

4. Structuur van Droge Transformators

4.1 Windingen
(1) Lagenwinding: Gemaakt door platte of ronde geleiders te stapelen en in een spiraalpatroon te winden om meerdere lagen te vormen. Tussen de lagen worden isolatie of ventilatiekanalen geplaatst. De winding wordt gegoten en gehard onder vacuüm met behulp van een mal en speciale gietapparatuur. Proces: gestapelde spiraalwinding → geplaatst in mal → vacuümgieten.

(2) Foliewinding: Gemaakt door dunne, brede geleiders te winden, met één slag per laag. Tussenlaagsisolatie dient ook als slagaan-slagaan isolatie. Foliewindingen gebruiken meestal axiale koelkanalen: tijdens het winder plaats men tussenstripjes op bepaalde slagen en later verwijdert men deze om axiale luchtsporen te vormen. Na het winder op een foliewindermachine, moet de spoel alleen worden verhit en gehard - geen mal of gieten is nodig.

Waarom wordt de hoogspanningswikkeling op de buitenste laag geplaatst en de lage-spanningswikkeling op de binnenste laag?
Omdat de lage-spanningsside op een lagere spanning werkt en een kleinere isolatieafstand vereist. Het plaatsen ervan dichter bij het kernstuk vermindert de afstand tussen de wikkeling en de kern, waardoor de totale transformatorgrootte en -kosten worden verlaagd. Bovendien heeft de hoogspanningswikkeling meestal tappunten; het plaatsen ervan aan de buitenkant maakt bediening gemakkelijker en veiliger.

4.2 Kern

• Gemaakt door het stapelen van meerdere lagen siliciumstaal met een insulatieverf;

• De kern wordt voornamelijk geklemd door klempframes en klembevestigingen;

• Boven- en onderklempframes comprimeren de kern en wikkelingen via bindstaven of bindplaten;

• Kernisolatiecomponenten omvatten frameisolatie, boutisolatie of bindplaatisolatie.

Waarom moet de kern aangesloten zijn op aarde?
Tijdens normaal gebruik moet de transformatorkern één en slechts één betrouwbare aansluiting op aarde hebben. Zonder aarding zou er een zwevende spanning ontstaan tussen de kern en aarde, wat leidt tot onderbrekingen en ontladingen van de kern naar aarde. Aarding van de kern op één punt elimineert de mogelijkheid van een zwevend potentieel. 

Echter, als de kern op twee of meer punten is aangesloten, zullen ongelijke potentialen tussen kernsecties circulerende stromen veroorzaken tussen aardpunten, wat resulteert in meerpuntige aardingsfouten en lokale oververhitting. Dergelijke kernaardingsfouten kunnen een ernstige lokale temperatuurstijging veroorzaken, die mogelijk beschermingsoptredens kan uitlokken. In extreme gevallen creëren gesmolten plekken op de kern kortsluitingen tussen de lagen, wat de kernverliezen aanzienlijk verhoogt en de prestaties en werking van de transformator ernstig beïnvloedt—soms vereist dit de vervanging van de siliciumstaallagen voor reparatie. Daarom mogen transformators geen meerpuntige aardingspunten hebben; alleen één en precies één aardingspunt is toegestaan.

5.Temperatuurcontrolesysteem

Het veilige functioneren en de levensduur van een drogetransformator hangen grotendeels af van de veiligheid en betrouwbaarheid van de wikkelingisoleratie. Als de wikkelingstemperatuur de thermische weerstandsbeperking van de isolatie overschrijdt, zal de isolatie beschadigd raken—dit is een van de belangrijkste redenen voor transformatordefecten. Daarom is het cruciaal om de bedrijfstemperatuur te monitoren en alarm- en uitschakelbesturingen toe te passen.

(1) Automatische ventilatorbediening: Temperatuursignalen worden gemeten door Pt100-weerstandstemperatuursdetectoren die in de warmste delen van de lage-spanningswikkeling zijn ingebed. Naarmate de belasting van de transformator toeneemt en de bedrijfstemperatuur stijgt, start het systeem automatisch de koelventilatoren wanneer de wikkelingstemperatuur 110°C bereikt, en stopt ze wanneer de temperatuur daalt tot 90°C.

(2) Hoogtemperatuuralarm en overtemperatuuruitschakeling: Temperatuursignalen van de wikkelingen of de kern worden verzameld door PTC-niet-lineaire thermistoren die in de lage-spanningswikkeling zijn ingebed. Als de wikkelingstemperatuur blijft stijgen en 155°C bereikt, geeft het systeem een overtemperatuuralarmsignaal. Als de temperatuur verder stijgt tot 170°C, kan de transformator niet langer veilig functioneren, en moet een overtemperatuuruitschakelsignaal naar het secundaire beschermingscircuit worden verzonden.

(3) Temperatuurweergavesysteem: Temperatuurwaarden worden gemeten door Pt100-thermistoren die in de lage-spanningswikkeling zijn ingebed en tonen direct de temperatuur van elke fasewikkeling (met driefasebewaking, maximumwaarde weergave en historisch piektemperatuurregistratie). Het systeem biedt een analoge uitvoer van 4–20 mA voor de hoogste temperatuur. Indien afstands-overdracht naar een computer nodig is (tot 1200 meter), kan het worden uitgerust met een computeraansluiting en één zender, waardoor tot 31 transformators gelijktijdig kunnen worden bewaakt. Het Pt100-thermistor-signaal kan ook overtemperatuuralarmen en -uitschakelingen activeren, wat de betrouwbaarheid van het temperatuurbeschermingssysteem verder verhoogt.

6. Behuizing van drogetransformatoren

Afhankelijk van de kenmerken van de werkomgeving en de beschermingsvereisten, kunnen drogetransformatoren worden uitgerust met verschillende soorten behuizingen. Meestal wordt een IP20-behuizing gekozen, die vaste vreemde objecten groter dan 12 mm in diameter en kleine dieren zoals ratten, slangen, katten en vogels tegenhoudt om de transformator binnen te gaan, waardoor ernstige fouten zoals kortslopen en stroomuitval worden voorkomen, en een veiligheidsbarrière biedt voor onderdeel onder spanning.

Als de transformator buiten moet worden geïnstalleerd, kan een IP23-behuizing worden gebruikt. Naast de bescherming die IP20 biedt, voorkomt deze ook waterdruppels die vallen tot 60° van de verticale richting. Echter, de IP23-behuizing vermindert de koelcapaciteit van de transformator, dus aandacht moet worden besteed aan het verminderen van de werkcapaciteit wanneer dit type behuizing wordt gekozen.

7. Koelmethoden van droogtransformatoren

Droogtransformatoren gebruiken twee koelmethode: natuurlijke luchtverkoeling (AN) en gedwongen luchtverkoeling (AF).

Bij natuurlijke luchtverkoeling kan de transformatoors continu op zijn nominale capaciteit werken voor een langere periode.

Bij gedwongen luchtverkoeling kan de uitvoercapaciteit van de transformatoors met 50% worden verhoogd, waardoor het geschikt is voor tijdelijke overbelasting of noodgevallen. Tijdens overbelasting neemt echter de belastingsverliezen en de impedantiespanning aanzienlijk toe, wat leidt tot onrendabele werking; daarom moet langdurige continue overbelasting worden vermeden.

8.Testitems voor droogtransformatoren

• Meting van de gelijkstroomweerstand van de windingen:
  Controleert de laskwaliteit van interne geleiders, de contactconditie tussen tapveranderders en leidingen, en of de faseresistansen onevenwichtig zijn. Over het algemeen mag de weerstandsonevenwichtigheid tussen de lijnen niet meer dan 2% bedragen, en de onevenwichtigheid tussen de fasen niet meer dan 4%. Te veel gelijkstroomweerstandsonevenwichtigheid kan circulerende stromen tussen de drie fasen veroorzaken, circulerende stroomverliezen verhogen en ongewenste effecten zoals oververhitting van de transformatoors veroorzaken.

• Controleer de spanningverhouding bij alle taps:
  Verifieert of het aantal windingen correct is en of alle tapverbindingen correct zijn verbonden. Wanneer 1000 V wordt aangebracht op de hoogspanningszijde (en de verschillende taps), controleer of de transformatoors ongeveer 400 V op de laagspanningszijde leveren.

• Controleer de driefase windingverbindinggroep en polariteit.

• Meet de isolatieweerstand van kern-isoleerde bevestigingen en de kern zelf.

• Meting van de isolatieweerstand van de windingen:
  Evalueert het isolatieniveau tussen de hoogspannings-, laagspanningswindingen en de aarde. Meestal wordt een 2500 V megohmmeter gebruikt, en de gemeten isolatieweerstandswaarden (HV-LV, HV-aarde, LV-aarde) moeten de gespecificeerde standaardwaarden overschrijden.

• AC spanningsterkteproef van de windingen:
  Bepaalt de hoofdisolatiesterkte tussen HV, LV en aarde via dielectric strength testing. Deze test is beslissend om lokale defecten te detecteren die tijdens de productie zijn ingevoerd. Voor droogtransformatoren zijn de typische testspanningen: 35 kV voor de 10 kV winding en 3 kV voor de 0,4 kV winding, elk aangebracht voor 1 minuut zonder doorbraak te worden beschouwd als aanvaardbaar.

• Schakel- en interlocktests voor schakelaars aan alle zijden van de transformatoors:
  Verifieert de betrouwbaarheid van de werking van de beschermrelais en bevestigt dat de schakelequipment intact en vrij van defecten is.

9. Impuls Schakeltest (Inrush)

(1) Bij het loskoppelen van een onbelaste transformatoors kan schakeloverspanning optreden. In elektriciteitsnetwerken met een ongegronde neutrale of neutrale geaard via een boogsuppressie spoel, kan de overspanningsgrootte 4–4,5 keer de fase-spanning bereiken; in systemen met direct geaarde neutrale, kan het maximaal 3 keer de fase-spanning bereiken. Om te verifiëren of de transformatoorsisolatie volledige spanning of schakeloverspanning kan weerstaan, is een impulsproef vereist.

(2) Het inschakelen van een onbelaste transformatoors produceert magnetiseringsinrush-stroom, die 6–8 keer de nominale stroom kan bereiken. De inrush-stroom daalt aanvankelijk snel—meestal tot 0,25–0,5 keer de nominale stroom binnen 0,5–1 seconde—maar de volledige daling kan veel langer duren, tot wel tientallen seconden voor grote-capaciteit transformatoors. Vanwege de grote elektromagnetische krachten die door de inrush-stroom worden opgewekt, wordt de impulsproef uitgevoerd om de mechanische sterkte van de transformatoors te evalueren en te beoordelen of beschermrelais mogelijk foutief kunnen werken tijdens de vroege afnamefase van de inrush-stroom.
Meestal ondergaan nieuwe geïnstalleerde transformatoors 5 impulsproeven, terwijl gereviseerde transformatoors 3 impulsproeven ondergaan.

10. Luchtproef

Het doel van de luchtproef is:

• De lege verlies en lege stroom van de transformatoors te meten;

• Te verifiëren of het ontwerp en de productie van de kern voldoen aan technische specificaties en normen;

• Kerndefecten zoals lokale oververhitting of slechte lokale isolatie te detecteren.

Tijdens de proef is de hoogspanningszijde open, en wordt de nominale spanning aangebracht op de laagspanningszijde. Lege verlies is voornamelijk kern (ijzer) verlies.

Defecten die via de luchtproef kunnen worden gedetecteerd, omvatten:

• Slechte isolatie tussen siliciumstaal laminaten;

• Lokale kortsluitingen of brandbeschadigingen tussen kernlaminaten;

• Isolatiefouten in kern-doorboorbouten, staalbanden, klemplaten, bovenste yokes, etc., die kortsluitingen veroorzaken;

• Losse, misaligned siliciumstaal platen of te veel luchtgaten in het magnetische circuit;

• Meer punten aarding van de kern;

• Inter-turn of inter-layer kortsluitingen in windingen, of ongelijke windingen in parallelle takken die ampère-wikkeling onevenwichtigheid veroorzaken;

• Gebruik van hoge-verlies, lage-kwaliteit siliciumstaal platen of fouten in ontwerp berekeningen.

11.Kortsluitingstest

De kortsluitingstest meet voornamelijk kortsluitingsverlies en impedantie. Deze wordt uitgevoerd bij de inbedrijname om de juistheid van de windingstructuur te verifiëren, en na een windingvervanging om significante afwijkingen van eerdere testresultaten te controleren.

De testvoeding kan driefase of éénfase zijn, toegepast op de hoogspanningszijde terwijl de laagspanningszijde wordt kortgesloten. Tijdens de test wordt de stroom aan de hoogspanningszijde opgevoerd tot de nominale waarde, en de stroom aan de laagspanningszijde wordt geregeld om op nominale stroom te blijven.

12.Afwijkende toestanden van drogetransformatoren afhandelen

12.1 Afwijkend transformatorgeluid

• Mechanisch geluid veroorzaakt door:

• Losse kernbevestigingsbouten;

• Verandering van de kernoeken door onjuiste behandeling tijdens transport of installatie;

• Vreemde objecten die delen van de kern verbinden;

• Losse bevestigingsbouten van de ventilator of vreemd materiaal binnenin de ventilator;

• Losse bevestigingsbouten van de behuizing die resulteren in trillingen en geluid van de panelen;

• Losse bevestigingsbouten van de laagspanningsbusleiding of gebrek aan flexibele verbindingen, wat leidt tot trillingen en geluid.

• Te hoge ingangsspanning die overbelasting veroorzaakt en een luider zoemend geluid.

• Geluid van hoge harmonische frequenties: onregelmatig patroon—varieert in volume en is af en toe aanwezig. Voornamelijk veroorzaakt door apparatuur die harmonische golven genereert (bijvoorbeeld elektrische ovens, thyristor rectifiers) aan de voedings- of belastingskant, die harmonische golven terugvoeren naar de transformator.

• Omgevingsfactoren: kleine transformatorkamer met gladde wanden creëert een resonant "speaker box"-effect, waardoor het waargenomen geluid wordt versterkt.

12.2 Afwijkende temperatuuraanwijzing

• Sensor niet ingeplugd in de contactdoos aan de achterkant van de temperatuuraanwijzer—foutindicator brandt op;

• Losse verbinding bij de sensorplug verhoogt de weerstand, waardoor er vals hoge temperatuurwaarden worden weergegeven;

• Oneindige temperatuurwaarde voor één fase wijst op een open circuit in de platina weerstanddraad van de sensor;

• Afwijkend hoge waarde voor één fase suggereert dat de platina weerstand in een deels gebroken (intermittente) staat verkeert.

Een transformator werkt op basis van het principe van elektromagnetische inductie. De hoofdbestanddelen van een transformator zijn de windingen en de kern. Tijdens de bedrijfsvoering dienen de windingen als pad voor elektrische stroom, terwijl de kern fungeert als pad voor magnetische flux. Wanneer elektrische energie wordt ingevoerd in de primaire winding, creëert de wisselstroom een wisselend magnetisch veld in de kern (dat wil zeggen, elektrische energie wordt omgezet in magnetisch veldenergie). Door magneetkoppeling (fluxkoppeling) verandert de door de secundaire winding passende magnetische flux continu, waardoor er een elektromotorische kracht (EMK) wordt geïnduceerd in de secundaire winding. Wanneer een externe schakeling wordt aangesloten, wordt elektrische energie naar de belasting geleverd (dat wil zeggen, magnetisch veldenergie wordt omgezet terug in elektrische energie). Dit "elektriciteit-magneetisme-elektriciteit" conversieproces wordt gerealiseerd op basis van het principe van elektromagnetische inductie, en dit energieconversieproces vormt het werkingsprincipe van een transformator.